热湿耦合特性的制冷空调课程建设范文

摘要：本文提出一套可进行多项教学实验的“多功能热湿耦合特性实验台”，适用于能源与动力工程类、制冷与低温工程专业学生的教学课程。实验内容由浅入深，包括空气温湿度采样系统与空气流量测量、焓差室的基本构成与运行原理、热湿耦合环境中的等效导热系数测量、电渗除湿技术的基本原理与特性分析。该实验课程结合地方特色及本专业热点问题，与实际应用紧密联系，丰富能源动力类与制冷专业学生的认识实习和专业实验内容，提升学生对实验课程的兴趣。

关键词：热湿耦合传递；焓差室；多功能；实验课程

1背景

1.1热工测量中对热湿耦合过程的忽视

传热传质过程是热科学领域非常重要的理论基础。在传热学的本科教学工作中，材料导热系数的测定几乎是所有学校都会安排的基础教学实验，如采用稳态法平板导热仪器或非稳态的热线法。[1]在制冷空调领域，所需测定的材料通常为内部含有丰富空隙的多孔材料，湿分可通过多孔材料的内部空隙进行传递和迁移，对传热过程带来重要影响。材料湿工况下导热性能的测量精度与受潮样本的准备方法有很大关系。常用的样本准备方法有浸没法、注射法、环境加湿法。[2]由于边界条件上的差异，以上方法均不能有效模拟实际工况下液相的分布形态。热湿环境中的等效导热系数的测量方法应在传统导热系数的测量过程中模拟系统湿分的变化规律，从而为实际设计提供更为可靠的数据基础。

1.2焓差实验室的“黑箱”操作

空调器的设计是制冷空调方向教学的重要内容，其制冷制热性能的检测方法也有必要在实验教学中引入。空调器的检测方法主要有空气焓差法和房间型量热器法。焓差实验室是制冷空调企业中最为常见的一种空调器性能检测工具，在各大高校的相关专业中也广泛存在。但是，大部分实验教学仅仅侧重于对焓差室的应用，即让学生测量计算风侧参数而对空调器的制冷/制热量进行计算，忽略了焓差室本身的结构特点、设计标准以及运行原理。高校里的焓差实验室也基本采用外包方式，以成品引入，对焓差室的重要部分――空气处理室进行封装。这种焓差实验室的教学工作类似于“黑箱”操作，学生看不到内部结构，较难理解焓差实验室的运行原理，这对高成本的焓差实验室的引入未免有大材小用的效果。同时，焓差室的高运行成本也导致实验教学中少开机、甚至不开机的现象。

1.3湿度控制在制冷空调领域的重要性

除湿是湿热地区的制冷空调系统中所需解决的重要问题。目前制冷空调用除湿方式主要是表面冷却除湿技术，导致送风温度偏低，增大空调能耗且降低室内舒适度。为克服其缺点，固体吸附、溶液吸收、电渗等除湿技术被相继提出。固体吸附及溶液吸收式除湿技术均需对媒介进行再生，而再生系统会提升空气调节系统的复杂度和空间占用。而电渗除湿不涉及再生，仅需要加装低压电路控制系统就可实现湿度调节，体积小且控制精度高。目前电渗除湿技术在保持地下建筑的墙体干燥方面已有应用，但在地上空间并承担房间内湿负荷方面的应用尚不多见。对电渗除湿原理的了解和掌握有助于制冷空调节能技术的设计和开发，推进温湿度独立控制技术的发展。

1.4实验技术发展趋势

本科实验中，需开展一些能结合地方特色及专业热点、前沿问题的实习或实验项目，加强教学实验与实际应用的联系，提升学生对实验课程的兴趣，在帮助学生巩固基础知识、掌握基本技能的同时，实现对创新型人才的培养。本文提出的多功能热湿耦合特性实验台，兼顾传热传质过程，可一定程度上解决焓差实验室的“黑箱”操作及运行费用高的缺陷，同时具有很强的扩展性。

2多功能热湿耦合特性实验台的研制

自主研制的“多功能热湿耦合特性实验台”主要包括冷热箱-电渗测试平台和可视化监控系统，可实现以下教学功能：（1）空气温湿度采样系统与空气流量测量；（2）焓差室的基本构成与运行原理；（3）热湿耦合环境中的等效导热系数测量；（4）电渗除湿技术的基本原理与特性分析。

2.1冷热箱-电渗测试平台

为解决传统焓差实验室的“黑箱”操作，并解决其运行成本高的问题，本实验装置参照焓差实验室的结构形式，自行设计制冷量在1-2kW的微型冷热箱实验台，冷箱模拟焓差实验室的室外室，热箱模拟室内室，空气处理室外侧采用透明设计，便于运行时的观测。依照焓差室测试标准，运用空气取样器测量空气侧干、湿球温度，运用喷嘴测量风量。在等效导热系数测量方面，改进干工况条件下的稳态测量方法――防护热箱法，构建具有一定湿度梯度的冷热箱等效导热系数测量装置。通过控制测试材料两侧的环境情况，如温度、湿度、风速等，测定热湿耦合条件下材料的等效导热系数，测试结果更符合真实的应用设计。冷热箱体交界面处采用拆卸式设计，可根据测试要求选择不同材料样本。电渗除湿测试平台则是在冷热箱等效导热系数测试平台的基础上，在可拆卸的冷热箱体交界面两侧增设正、负电极及电压测控装置，控制冷热箱初始温湿度；通过持续维持一侧箱体温湿度并监测另一箱体内的湿度变化，实现对电渗热湿耦合过程中除湿量与传热量的同步测量，并进一步实现电压、电极分布等参数对传热传质过程的特性分析。

2.2可视化监控系统设计

冷热箱体采用手动/自动双重控制方式，通过LabView构建实验台的监控系统，[3]实现对冷热箱的运行与控制情况的可视化展示。通过LabView的演示界面，既可清晰的显示系统运行流程，又可对各重要参数进行实时读取，实验测试数据可通过记录界面进行定时记录与文本输出。

3基于本实验台的开放性制冷空调实验课程构建

3.1增设“校内实习-制冷”课程项目

可增加的认识实习（制冷部分）项目包括：焓差实验室的基本原理与构成；防护热箱法导热系数测量的基本原理与构成。

3.2增设“制冷低温实验”课程项目

目前专业实验中缺乏与空调器性能检测标准和方法相关的教学工作，本项目可在此方面进行补充，增设不同难度等级的制冷空调专业实验项目：模拟空气焓差法的空调性能测试（初级）、热湿耦合过程中的等效导热系数测量（中级）、电渗除湿特性分析（高级）。

4课程创新点

4.1传统教学实验项目的低成本运行与可视化监测

所设计的冷热箱实验台可一定程度上模拟传统焓差室，降低运行成本；在空气处理室采用透明面板设计，消除“黑箱”操作，加强教学过程中的可观察性，系统运行流程与状态可通过Labview界面进行监测与记录。

4.2扩展性项目与传统实验教学项目的融合

将焓差室技术、防护热箱导热系数测试技术以及电渗除湿技术进行融合与改进，在同一套教学实验平台上实现不同的测试功能，一机多用。实验台集平台型、灵活性、精确性、真实性、低能耗性于一身，充分考虑地方特色和专业发展前沿，丰富制冷与低温工程专业本科实习与实验的教学内容，实现由浅入深、由传统到新型测试方法的教学过程。

5总结

本文提出一套与地方特色相结合的“多功能热湿耦合特性实验台”，可由浅入深地进行多项教学实验，包括空气温湿度采样系统与空气流量测量、焓差室的基本构成与运行原理、热湿耦合环境中的等效导热系数测量、电渗除湿技术的基本原理与特性分析。自主研制的教学装置和改进后的教学内容充分结合地方特色及专业热点问题，与实际应用紧密联系，丰富能源动力类与制冷专业学生的认识实习和专业实验内容，提升学生对实验课程的兴趣，辅助专业主干课程“空气调节”、“制冷原理与装置自动化”、“制冷与低温应用技术”的教学工作。

参考文献

[1]陈冬雨,胡艳清,李轶,张敏,李金洋.热工实验教学的实验与思考[J].高等农业教育,2011(7):58-59.

[3]绍伟恒,吴上泉,邵鄂.基于Labview的焓差室监控软件设计[J].环境试验设备,2016(6):63-66.

作者:蔡姗姗 郭海金 房东旭 汪雪棚 单位:华中科技大学能源与动力工程学院